09_Wolf_et_al

DGPF Tagungsband 24 / 2015
Erdbeobachtung für Jugendliche –
Entwicklung einer adaptiven, webbasierten Lernplattform für
den Einsatz von Satellitenbildern im Geographieunterricht
NILS WOLF1, VERA FUCHSGRUBER1, KATHRIN VIEHRIG1,
SIMONE NAUMANN2 & ALEXANDER SIEGMUND2
Zusammenfassung: Das Projekt „Die Erde verstehen lernen – Einsatz moderner
Satellitenbildtechnologie zur Erdbeobachtung für Jugendliche“ (Space4Geography) verfolgt
das Ziel, Jugendlichen das Anwendungspotenzial der Fernerkundung zur Beantwortung
umwelt- und raumrelevanter Fragestellungen näherzubringen. Vor diesem Hintergrund wird
eine webbasierte Lernplattform für den Einsatz im Geographieunterricht und verwandten
Fächern entwickelt. In verschiedenen Lernmodulen sollen Schüler/-innen die Möglichkeit
erhalten, auf Grundlage originaler, räumlich hochauflösender Fernerkundungsdaten und
mit der webbasierten Fernerkundungssoftware „BLIF“ geographische Fragestellungen
eigenständig zu bearbeiten. Hierzu werden RapidEye- und TerraSAR-X-Satellitenbilddaten
für exemplarische Themen- und Raumbeispiele bereitgestellt und für einen
problemorientierten Unterricht in didaktische Kontexte eingebettet. Eine adaptive
Umsetzung der Plattform soll individuelles Lernen unterstützen, indem Lerninhalt und
Schwierigkeitsgrad über Nutzer-/Nutzungsprofile an die Kompetenzen, Bedürfnisse und
Präferenzen des jeweiligen Lerners angepasst werden.
1 Einleitung
Das Projekt „Die Erde verstehen lernen – Einsatz moderner Satellitenbildtechnologie zur
Erdbeobachtung für Jugendliche“ (Space4Geography) verfolgt das Ziel, Jugendlichen das
Anwendungspotenzial der Fernerkundung zur Erdbeobachtung näherzubringen und dabei ihre
Kompetenzen im Umgang mit Satellitenbilddaten zu fördern. Satellitenbilddaten sollen hierbei
einen zeitgemäßen und motivierenden Zugang zu aktuellen umwelt- und raumrelevanten
Fragestellungen ermöglichen und nachhaltiges Interesse an naturwissenschaftlich-technischen
Themen und entsprechenden Berufszweigen wecken.
Die Fernerkundung zählt zu den grundlegenden fachspezifischen Arbeitsmethoden der
Geographie und verfügt über ein großes didaktisches Potenzial für den Geographie- und
fächerübergreifenden Unterricht (KESTLER 2002; NAUMANN et al. 2009). Nicht nur in der
geographiedidaktischen Diskussion sondern auch in den Bildungsplänen und nationalen
Bildungsstandards wird der Einsatz von digitalen Satelliten- und Luftbildern im Unterricht
explizit und zunehmend gefordert. Eine wesentliche Kompetenz stellt dabei die Fähigkeit dar,
1
Abteilung Geographie – Research Group for Earth Observation (rgeo), Pädagogische Hochschule
Heidelberg, Czernyring 22 / 11-12, 69115 Heidelberg;
E-Mail: [wolf3, fuchsgruber, viehrig]@ph-heidelberg.de
2
Abteilung Geographie – Research Group for Earth Observation (rgeo) & GIS-Station, Klaus-TschiraKompetenzzentrum für digitale Geomedien, Pädagogische Hochschule Heidelberg, Czernyring 22 / 1112, 69115 Heidelberg; E-Mail: [naumann, siegmund]@ph-heidelberg.de
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Satelliten- und Luftbilder selbständig interpretieren und auszuwerten zu können, um
geographische Informationen zu gewinnen (DGfG 2007; SIEGMUND 2011; KMK 2013).
Die konkrete Umsetzung im Schulalltag geschieht bis heute jedoch nur sehr zögerlich, wie eine
internationale Vergleichsstudie zum Einsatz der Fernerkundung in Schulen gezeigt hat
(SIEGMUND 2011). Zudem geht der Einsatz von Satellitenbildern in Schulen i.d.R. nicht über
(analoge) Echtfarbdarstellungen in Schulbüchern hinaus, während die weitergehenden
Möglichkeiten einer aktiven Auseinandersetzung mit digitalen, originalen Satellitenbilddaten zur
eigenständigen Bearbeitung geographischer Fragestellungen ungenutzt bleiben. Dies liegt zum
einen an der Komplexität und der damit verbundenen zeitaufwendigen Einarbeitung bisheriger
Bildungsangebote (DITTER 2013), die auf methodisch komplexer Fernerkundungssoftware bzw.
komplexen Daten- und Anwendungsbeispielen basieren (BYFIELD et al. 2012; FRITSCH et al.
2009; SORENSEN et al. 2009). Des Weiteren ist eine konkrete Abstimmung des Lernangebots auf
aktuelle Bildungsplaninhalte in Deutschland nicht immer gegeben, was eine breitere Anwendung
in Schulen erschwert.
Vor diesem Hintergrund wird im Projekt „Space4Geography“ eine adaptive webbasierte
Lernpattform für den Einsatz der Fernerkundung im Geographieunterricht und anderer
verwandter Fächer entwickelt.
2 Konzeption und Entwicklung der Lernplattform
Die Konzeption und grundlegenden Arbeitsschritte des Projekts sind in Abb. 1 dargestellt und
werden im Folgenden näher erläutert.
Im Rahmen des Projekts „Space4Geography“ wird der didaktischen Gesamtkonzeption der
Plattform und der Entwicklung von Lernmodulen eine umfassende Bildungsplananalyse
vorausgestellt. Untersucht werden hierbei alle gymnasialen Bildungspläne der 16 Bundesländer
für das Fach Geographie an Gymnasien (Stand Juli 2014) auf thematische und räumliche
Vorgaben für die Klassenstufen 5 bis 12 bzw. 13. Eine grundsätzliche Problematik bei dieser
Untersuchung stellt die hohe Variabilität der Bildungspläne u.a. hinsichtlich Umfang, Aufbau
und Konkretisierung der Fachinhalte sowie die Vorgabe der Raumbeispiele dar. Um räumliche
und thematische Vorgaben dennoch einheitlich erfassen zu können und hinsichtlich
Ausprägungen wie „Klassenstufe“ und „Bundesland“ zu untersuchen, wurden sämtliche Einträge
der Bildungspläne tabellarisch erfasst und entsprechend der Klassenstufe gekennzeichnet sowie
einer Themen- und einer Raumkategorie zugeordnet. Die insgesamt elf Themen- und zwölf
Raumkategorien wurden dabei auf Grundlage der thematischen und räumlichen Aufgliederungen
eines Standardlehrwerkes der Geographie (GEBHARDT 2007) sowie unter Einbezug der
Vorgehensweisen und Kategorisierungen vorheriger Studien (HEMMER & HEMMER 2010;
REUSCHENBACH 2007) abgeleitet. Insgesamt umfasst die Tabelle 1.109 Einträge. Neben der
Ableitung von relevanten Themen, Fragestellungen und Anforderungsniveaus ermöglicht dieses
Vorgehen umgekehrt auch, vom Bundesland und einer gegebenen Klassenstufe ausgehend auf
passende Lernmodule der Plattform zu verweisen.
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Abb. 1: Konzeption und Arbeitsschritte im Rahmen des Projekts „Space4Geography“
Auf Grundlage der Bildungsplananalyse werden exemplarische Themen- und Raumbeispielen
zur bildungsplankonformen Umsetzung in insgesamt zehn Lernmodulen definiert. Ein
Lernmodul ist dabei für eine Bearbeitungszeit innerhalb von zwei Schulstunden ausgelegt. Im
Zentrum steht jeweils die Bearbeitung einer geographischen Fragestellung auf Grundlage
originaler, räumlich hochauflösender Fernerkundungsdaten. Für die Umsetzung der Lernmodule
steht dabei ein Datenvolumen von 50 Szenen aus den RapidEye Science- (RESA) und EyeFindArchiven sowie 15 Szenen aus dem TerraSAR-X Science Service System zur Verfügung.
Die wesentliche Grundlage zur Verarbeitung und Analyse der Satellitenbilddaten durch die
Schüler/-innen bildet die in der Abteilung Geographie an der Pädagogischen Hochschule
Heidelberg entwickelte, webbasierte Fernerkundungssoftware „BLIF“ (vgl. DITTER & SIEGMUND
2010). „BLIF“ stellt in einer schülergerechten Weise die wesentlichen Grundfunktionen zur
Auswertung von digitalen Satellitenbilddaten zur Verfügung – u.a. Datenimport,
Bildverbesserung und -darstellung, Kanalkomposite, Berechnung von Vegetationsindizes,
unüberwachte und überwachte Klassifikation sowie Veränderungsanalysen.
Aktuell sind die Arbeitsschritte und Funktionen in „BLIF“ auf optische Daten von Landsat 5/7/8
und RapidEye abgestimmt. Sie sollen jedoch im Rahmen des Projekts um Funktionalitäten zur
Bearbeitung der aktiven Radardaten (TerraSAR-X) erweitert werden. Vorgesehen ist hier die
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Implementierung von Glättungs- und Texturfiltern zur Reduktion des Speckle-Effekts bzw.
Hervorhebung räumlicher Strukturen. Zudem soll über ein interaktives Schwellwertverfahren die
einfache, teil-automatische Klassifikation von Oberflächenkategorien ermöglicht werden.
Die Lernmodule in „Space4Geography“ werden auf ein Unterrichtssetting mit hohem
Virtualisierungsgrad (BACHMANN et al. 2002) ausgelegt, d.h. das Erlernen von Inhalten, Testen
von Wissen sowie Feedback und Bewertung erfolgen online, wobei die Lehrkraft eher in der
Rolle eines Lernbegleiters, weniger eines Inputgebers agiert. Auf diese Weise wird der Arbeits/Zeitaufwand der Integration der Lernmodule – und damit der angewandten Fernerkundung – in
den Geographieunterricht möglichst einfach gehalten. Dies erscheint insbesondere sinnvoll, da
mangelnde Vorkenntnisse der Lehrerkräfte im Bereich Fernerkundung eine wesentliche Barriere
für den Einsatz im Schulunterricht darstellen (SIEGMUND 2011) und damit Unterrichtssettings,
die einen starken Lehrerinput vorsehen für eine breite Anwendung in Schulen nicht förderlich
sind.
„Klassische“ webbasierte Lernangebote sind oftmals dahingehend problematisch, dass sie die
Zielgruppe in ihrer Heterogenität nur unzureichend berücksichtigen. „Statische“ Inhalte sowie
rein lineare Lernwege werden den individuellen Lernanforderungen einzelner Schüler/-innen
meist nicht gerecht. Eine individuelle Anpassung, wie sie in Präsenz- oder „blended“-Settings
durch die Lehrkraft erfolgen kann, ist bei konventionellen Lernplattformen nicht gegeben. Aus
diesem Grund rückt aktuell in Forschungsbereichen von Bildungswissenschaften, E-Learning
und Web-Didaktik das personalisierte und adaptive Lernen in den Mittelpunkt (REY 2009).
Aus o.g. Gründen wird die Lernplattform „Space4Geography“ als adaptives und individuelle
Lernwege unterstützendes System umgesetzt. Wie in Abb. 2 schematisch dargestellt, werden
einzelne Inhalte als „Content-Bündel“ bereitgestellt, die sich z.B. in Bezug auf
Schwierigkeitsgrad, inhaltlichen Schwerpunkt und/oder Vermittlungsform unterscheiden können.
Die Verzweigungen und damit individuelle Anpassung an die Kompetenzen und Bedürfnisse des
einzelnen Lerners ergeben sich auf Basis von Nutzerprofilen (z.B. Information über bereits
absolvierte Lerneinheiten) und Quiz/Test-Ergebnissen. Zusätzlich kann der Lerner auch nach
seinen eigenen Präferenzen zwischen bestimmten Lerninhalten bzw. Vermittlungsformen
auswählen.
Die Nutzer der Plattform haben die Möglichkeit sich als „Schüler“ oder „Lehrer“ zu registrieren
und entsprechende Learning Management System-Funktionen zu nutzen. Schüler/-innen können
so über ein persönliches Nutzerprofil Bearbeitungsstände abspeichern und ihren Lernfortschritt
einsehen. Zusätzlich erhalten sie Feedback zu den Quizergebnissen sowie ein Zertifikat nach
erfolgreichem Abschluss eines Lernmoduls. Lehrer haben die Möglichkeit Nutzerzugänge für
ihre Schulklassen zu generieren und den Lernfortschritt ihrer Schüler einzusehen.
Die Lernplattform ist für die Nutzung am PC/Laptop, aber auch auf mobilen Endgeräten wie
Tablets vorgesehen und wird mit einem entsprechend responsiven Layout umgesetzt. Zur
Gewährleistung der fachlich-methodischen Qualität und schulpraktischen Anwendbarkeit wird
die Entwicklung der Lernplattform im Rahmen einer wissenschaftlichen Studie auf Basis des
Educational Design Research, auch entwicklungsorientierte Bildungsforschung genannt (PLOMP
2007; REINMANN & SESINK 2011), begleitet. Ein wichtiger Aspekt des Ansatzes stellt die
Einbeziehung von Experten und Anwendern, also Schüler/-innen, Lehrer/-innen und
Referendar/-innen sowie Forscher/-innen der Fachwissenschaft und -didaktik dar.
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Abb. 2: Schema adaptiver Lernpfade im Rahmen der Lernplattform des Projekts „Space4Geography“
3 Ausblick und Danksagungen
Im Anschluss an die technische Implementierung der Plattform „Space4Geography“ und
Fertigstellung der Lernmodule folgt eine praktische Erprobungsphase u.a. im Rahmen der GISStation, Klaus-Tschira-Kompetenzzentrum für digitale Geomedien an der Pädagogischen
Hochschule Heidelberg und des DLR_School_Labs in Oberpfaffenhofen.
Das Projekt „Space4Geography“ wird vom Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
(DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie gefördert. Wir
danken dem DLR und der BlackBridge AG für die Bereitstellung der RapidEye- und TerraSARX-Produkte.
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September
2013.
http://www.kmk.org/dokumentation/lehrplaene/uebersichtlehrplaene.html, zuletzt geprüft am 05.01.2015.
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